1、The Design of Fast Charger for Electric Vehicle With 72V and 2000WAbstract: Nowadays,fast charger for electric vehicle in todays era of rapid development of science and technology,by virtue of their own key position in the electric car among this sunrise industry, was quickly recognized by the peopl
2、e.At the same time, it is necessary to have a more reliable and comprehensive technical support to support the development of long-term development.In this graduation design, taking into account the economic and practical in this regard, I take is pulse width modulation UC3842 chip control circuit,
3、charging method is single ended flyback charging, auxiliary in power electronics technology in switch power supply application related professional knowledge and so on.In order to ensure a stable output voltage can be, the charger application of power electronics technology, the use of the switch-of
4、f time ratio to achieve the desired purpose. So the charger has a small and light, stable and fast, artificial intelligence and other aspects of the advantages, for the countrys energy-saving environmental protection has a sense of extraordinary. The circuit design includes a differential mode, comm
5、on mode filter, a rectifier bridge, filter capacitor, output inductor and output filter capacitor, the feedback voltage sampling circuit, switching signal IC, switch, coupler and a series of electronic hardware section. Find relevant information found that the maximum output power of multiple parall
6、el output in the way for me to take the single end counter type charger partial small have some help, so I put the input AC filter, filter capacitor voltage and rectifier of the three module constitutes a rectifier and filter circuit in the design. PWM control circuit constituted by UC3842, TL431 op
7、tocoupler PC817 combination Zener diode as a feedback circuit, MTH6N100 type of MOSFET as switch, in the latter part of the process parameter calculation also includes the main parameters of the design of ventilation and cooling devices, transformers and so on. Key word: Single-ended flyback circuit
8、; application of switching power supply ; UC3842 chip with pulse width modulation1 概 述在当今的现代化社会里，电力电子技术凭仗着自身高效的优势迅速发展，高效能、高功率密度等优点集于一身。而在它的领域中发挥极其重要作用的一支就是开关电源的应用，尤其在当下国家改善环境、节约能源等强烈的号召下，显得备受关注。1.1 电动汽车快速充电器设计的目的和意义由于汽车行业的快速发展和人们对交通工具的依赖需求，全球汽车的数量在持续地增加，与此同时带动了其他相关产业的增长。当下石油等传统燃油的使用造成了一定的环境污染、资源的短缺、
9、能源的消耗，为此电动汽车的出现可谓是应运而生。电动汽车具备零污染，噪音低，效率高，节能等长处，所以格外受到列国的眷注。而电动汽车的枢纽部分就是能够提供持续的电力需求，这就要求电动汽车充电的时间尽量短、行走里程尽可能的长，因此对电动汽车快速充电器的研究探讨有着相当重要的意义。为了能够高质量地完成此次毕业设计，这就需要我们发散思维、实践调查有关方面的知识内容，并且对我们电力电子技术方面上的知识能够得到加强巩固，提高自己在搜集相关科学资料、整理编排有关电气知识、大胆提出方案想法、了解国内外相关行业发展动态的能力,积极调动起我们大学几年来所学的相关知识。1.2 电动汽车快速充电器设计的研究现状及发展前
10、景考虑到电动汽车在成本上的花费和本身的机能相比拟那些以石油等燃料为能源的汽车，落后的较远，所以消费大众们更愿意选择传统燃料汽车作为他们的代步工具。当前想要大规模地生产销售电动汽车还不具有那样的发展条件，甚至未来几年或者几十年都存在着一些不确定因素，必须要进一步地研究新型技术才能使其变为普遍的交通工具。即使现实比较残酷，但是当前社会各界人士都很期待着电动汽车的深层发展，其中政府也在诸多领域推行演示电动汽车所带来的优点，起到了一个领头羊的作用。这极大地刺激着一批优秀人才努力钻研电动汽车新技术的热情，而与电动汽车直接挂钩的电动汽车快速充电器的研究更是息息相关，也是急需投入大量资金技术来生存发展。但是
11、，从近年来欧洲国家在电动汽车及其相关产业投入的资金以及关注度来看，我国在这方面尚还有不足。对此，电动汽车及其快速充电器的研究已经是亟不可待了。1.3 主要设计任务与预期成果1）内容：（1） 收集资料，比较各种变换器，说明变换器的优点，确定课题方案； （2） 设计原理电路的总体； （3） 设计 PCB线路板图；2）原始数据： （1） 输入电压和频率：交流180V-264V, 50-60HZ ；（2） 额定输出电压和电流：直流72V,直流28A ； （3） 额定输出功率：P=2000W； （4） 开关频率: 66KHZ 。3）技术要求：（1） 输入电压和频率见表1-1表1-1输入电压和频率的要求输
12、入单元最小值正常值最大值输入电压180VAC220/230VAC264VAC 输入频率47Hz50Hz/60Hz63Hz（2）负载要求见表1-2表1-2负载的要求输出单元空载输出电压-5%，68.4VDC72VDC+10%，79.2VDC带载28A输出电压+5%，75.6VDC输出纹波300mVp-p（3） 工作效率输出效率： 80% 。4）预期成果：（1） 设计72V/ 2000W电动汽车快速充电器原理图； （2） 设计72V/ 2000W电动汽车快速充电器PCB线路板图； （3） 所设计的图纸的图形符号和文字符号应符合有关电气制图国家新标准。2 方案设计与论证2.1 方案一：基于高频逆变桥
13、的电动汽车快速充电器设计这个电动汽车快速充电器的设计通过高频开关电路来使充电器的重量和体积上面得到相应的减少，避免了一般模式下取决于滤波电容、滤波电感和变压器规格的大小来决定的情况，操作相对比较简单。该设计中整流电路将工频交流经过整流电路整变为直流，然后由高频逆变电路转变为高频交流，再通过变压器传送到高频整流电路，变为脉动直流后经过滤波器输出我们所需要的直流，如图2-1基于高频逆变桥的电动汽车快速充电器原理框图所示：图2-1基于高频逆变桥的电动汽车快速充电器原理框图（方案一）2.2 方案二：基于全桥变换电路的电动汽车快速充电器设计图2-2基于全桥变换电路的电动汽车快速充电器原理框图（方案二）这
14、次设计的电动汽车快速充电器的功率较大，而全桥变换电路拥有的输出功率范围较广，最大程度上能够达到几十大千瓦，SG3525集成芯片通过对电路中的开关管的操作和控制以此来实现电动汽车的电池充电所希望得到的电流和电压，并且全桥变换电路中电动汽车充电器的充电变压器大多都是类似的，这是因为其变压器中的铁芯基本上都会双向磁化的，由此我们可以减少资源的浪费，提高铁芯的利用率，可以重复使用。三相整流滤波电路、ZVZCS PWM全桥变换器、隔离驱动电路、SG3525集成芯片以及输出电压电流反馈电路等相关模块构成了这个电路体系，详细如图2-2基于全桥变换电路的充电器原理框图所示。2.3 方案三：基于单端反激式的电动
15、汽车快速充电器设计以UC3842芯片为主的单端反激式电动汽车快速充电器的原理图如图2-3所示。启动电路、整流电路、反馈电路以及过流过压欠压保护电路构成了主要的功能模块。对脉冲宽度进行调制的技术（PWM）在迅猛发展的电力电子行业中，凭借着其电流型模式的拓扑结构用在控制电路中的功能被同行业界迅速认可。电压、电流双闭环系统中的一个重要分支那便就是电流型模式的PWM控制系统，精度高并且电压稳定，既可以实时监控开关管的内部电流，又可以控制电压外环，因此它的应用是相当的普遍。图2-3 以UC3842芯片为主的单端反激式电动汽车快速充电器原理框图（方案三）2.4 方案的论证与选择方案一所选高频逆变桥为核心的
16、充电器的设计虽然提供恒压、恒流及恒压恒流自动转换等三种工作方式，但是它的使用寿命相对较低。对于电动汽车快速充电器而言，不是最佳选择。方案二基于全桥变换电路的充电器虽然输出功率范围的上限可以达到几十千瓦，但是在开关管的开关过程中，电压和电流的交叠区会产生较大的损耗，相比较而言反激式的充电电路就起到了节约能源的作用。方案三的单端反激式电路相对于其他两个方案来说结构简单，体积较小。再加上PWM技术的迅速发展，更进一步的加强了该电路的稳定性。综上所述，我更偏向使用方案三。a. 采取UC3842集成芯片。UC3842集成芯片就是属于电流型模式的PWM控制器的那种类型，相对于过去的电压型模式结构的开关电源
17、控制电路来说，输出的系统是电流电压双闭环的系统，不仅能够监测电流的开关管连同着其中的一个内环，并且还能够实时监控输出的电压大小情况，然而以前的电压型模式一方面本身线性调节精度还是比较低的，再者缓慢的系统响应也很是令人值得去商榷一下的。b. 采用的是单端反激式电路模块。单端反激式原理图如图2-4所示，在MOSFET功率管Q1正向导通的情况下，电路中T1变压器的一次侧的绕组上拥有的电能将会有所提升，于是乎，T1的二次侧绕组由于整流二极管VD的反向偏置迫使它根本接受不到传输过来的能量。当Q1闭合的时候T1变压器电路便会出现断路的局面，最终导致绕组的磁性发生变化，从而变压器T1二次侧中的电流就会重新流
18、进了电容C中。从整个电路的情况来看的话，变压器T1在该电路中发挥了储蓄能量的作用。C图2-4 反激式原理图c. 单端反激式电动汽车快速充电器结构框图如图2-5所示。从下图中可以大致了解整个内部流程机制的走向，从交流输入到输出整流，再由反馈控制电路起到一个桥梁的作用，整体的效果结构还是比较紧凑的。图2-5反激式电动汽车快速充电器结构框图3 单端反激式电动汽车快速充电器主电路设计从图2-5中我们知道电动汽车快速充电器的主电路由输入保护电路、高频变压器、输出整流滤波器、光耦反馈电路以及控制电路所组成的。关于对应模块的设计思路方法都会在下面的文字中一一详细地介绍。至于电动汽车72V/2000W快速充电
19、器的设计整体原理图详见附录1。3.1 输入整流滤波电路的设计存在着系统就会有干扰信号的产生，而在这次设计的电路系统里面共模信号与差模信号的存在就是这干扰信号的来源，二者相形比较之下，差模干扰对于主电路的影响还算是比较轻微的，可以忽略不计，相反的是，共模信号对整个电路的冲击倒是不小，为此，我们需要找到一个合适的滤波器来使共模信号的干扰尽可能地最小化，而EMI滤波器正是一个不错的选择，把它加在原理电路图的输入与输出之间接能够达到我们所需的减轻共模信号干扰的目的。而对于充电器噪声的解决可以由电磁干扰滤波器来充当这样的装置，电网发出的噪声能够很好地被它所降低，对于系统全面的稳定性和安全性都能够得到相应
20、的改进，另外电子设备仪器的抗干扰能力会有进一步地改善，构成该装置的元器件也相对简单，诸如电容、电感等一些常见的电子器件，所以相对来说价格经济实惠而且易于宣传推广，简单上手。3.1.1 输入滤波器设计图3-1输入的EMI滤波器的基本电路输入的EMI滤波器如图3-1所示。其中，Cx1与Cx2称为差模电容。L1称为共模电感。Cy1与Cy2称为共模电容。EMI滤波器属于一种双向滤波器，其共模电感L又叫共模扼流圈，它是在同一个磁环的上下两个半环上，都绕制了相同圈数但在环绕的方向上完全相反的线圈。因此能够实现无损耗的传输，其根本原因就是当工频电流I上流过L1、L2的时候各自产生的磁场恰巧方向相反大小相等，
21、实现了相互抵消，而且这对于流过的工频电流没有什么影响。假使共模电感上有分支电流从电流I1中流出来经过L的话，那么滤波器中上下两个绕组的的磁场会因为电流同向而使其在同相上互相叠加，这时总电感迅速增大产生很大的感抗，从而能够消除共模干扰带来的影响。电感量L（mH）与输入的EMI滤波器的额定电流I（A）之间的关系如下表3-1所示：表3-1电感量与额定电流的关系额定电流I（A）12345电感量L（mH）823240.40.80.20.300.083.1.2 输入整流电路设计图3-2 输入的桥式整流电路输入的桥式整流电路如图3-2所示，D1、D2、D3、D4这四个二极管的连接方式在电路中构成了一个电桥，
22、也就是所谓的桥式整流电路，由于二极管的正向导通、反向截止的特性，电流的方向会随着电压的方向时不时地发生变化。交流输入电压的一个完整周期是有正半周期和负半周期一起组成的，在正半周期内，二极管D1和D3导通、D2和D4截止；相反，在交流输入电压的负半周期内，二极管D1和D3截止、D2和D4导通。于是在这样的情况下，输入的桥式整流电路在一个周期中，直流输出电流和直流输出电压的方向都是固定不变的。图中电容C6的功能是负责把经过桥式整流器变换得到的脉冲电流转化成波动范围偏小、输出波形更加稳定平滑的直流电压。3.2 输出整流滤波电路的设计3.2.1 输出EMI滤波器设计图3-3 输出整流电路的EMI滤波电
23、路输出整流电路的EMI滤波电路如图3-3所示，该电路EMI源的核心便是图中的二极管VD3，它的吸收电路的组成部分是与它串并联的R6、C10元器件，主要功能是吸收消除它在开关切换的时候制造出来的电压尖峰来保证系统的稳定，当然对于开关电源自身所带来的干扰，我们只能尽全力地去将它的不良影响程度最小化，想要从根本上消除它们几乎是完全不可能的，所以我们可以在器件的选择上挑选那些符合设计功能的VD二极管来减轻误差带来的干扰。图3-4 开关电源输出回路的EMI滤波器开关电源输出回路的EMI滤波器如图3-4所示，线圈L1和L2组成的共模扼流圈加上C1、C2两个电容以及扼流圈L3，这些电子元器件一起构成了输出回
24、路的EMI滤波器。将它放在直流输出端的目的就是为了能够消除共模信号与差模信号的干扰，扼流线圈有的时候会因为磁芯过于饱和所产生的高强度磁场而使它的特性失去，对于这个问题的解决，我们可以采取在高磁场强度下具有很好的高频特性的扼流圈铁芯，如果该铁芯的磁导率良好而且稳定那就再好不过了。3.2.2 输出高频整流电路在我们学过的开关电源的整流电路中，也曾了解过许多现代的整流电路，比如普通整流电路、倍流整流电路、异步整流电路、低压大电流高频整流电路以及同步整流电路等相关电路，相比较过去时代的整流电路而言，现今这些整流电路的输出频率着实提高了不少，更加符合现在专业领域的要求。在科技创新日新月异的当代，集成电路
25、技术越发成熟，其规格大小呈现出小型化的趋势。在这次的设计中，我选择的是一般情况下都会用的到的普通整流电路，高频变压器二次侧选择的则是效率较高的半波整流方式。直流输出整流电路如图3-5所示，主要的电子器件由二极管、电容、电感等等。在变压器的二次侧与尾端的电阻器之间我添加了输出储能电感以及输出滤波电容这两个模块，目的是为了使输出电压的波动幅度能够得到一定地减弱，同时使输出功率可以适当地降低。图3-5 直流输出整流电路3.3 启动电路设计图3-6驱动之前启动电路图驱动之前启动电路如图3-6所示，如果6脚（即推挽输出端）可以被触发启动，那么UC3842芯片内部的过压Vcc与Vef这两个端口即具有欠压锁
26、定功能的比较器搭配上过压安全保护电路，便可以正常地运行整个电路的启动模块。在Vcc的电压大小太低的情况下，控制芯片内部便会出现欠压锁定，相反，如果Vcc大于36V的话，那么就需要我们把36V大小的稳压二极管接在Vcc与GROUND之间，如果齐纳二极管稳压，那么在36V以下输出电路稳定运行。图3-7 正常工作之后启动电路图正常工作之后的启动电路如图3-7所示，D2是一个稳压二极管，它的功能是确保整个电路的正常进行，而维持系统的持续动力来源的则是与D2串接的辅助绕组电感L，它扮演的角色可以说是一个能量补给站，二者相辅相成。于是乎，我们便能将一个规格大小为47uF的电解电容滤波C103并联到电路中的
27、恰当位置来保障整个系统电路的合理运行。3.4 保护电路设计“保护电路”，顾名思义，就是保护人体或者电子仪器元件免受因电路故障而造成的危害而设计的电路。通常情况下用到的电路保护元件一般都有温度熔断器、熔断电阻等，其中最是普遍用到的就数保险管了。保险管又叫保险丝，是为了确保电路能够安全运行而装在应用电路中电路元件，在电路中它的文字代表符号是“F”或者“FU”，一般情况下我们把它安装在整个电路的输入端，正常工作后，如果电路某个部位意外地发生短路或者过载等过电流的情况，致使保险管发生熔断，此时正常工作的输入电路就会被硬生生地切断，为防止故障进一步扩大起到了一个过电流保护的作用。保险管的内部结构主要是由
28、三个模块组成。首先，最关键的就是熔体，就是它负责保险管作用时切断电流的作用，再者是两个接触电阻相当小的电极，它们的作用是便于减轻安装在电路中的干扰，尤其是要保证这两个电极的导电率也必须足够的好，这样才能在危险发生的时候及时是熔体切断实施保护，最后的部分就是管钳与支持的那部分了，它的机械强度保证了保险管的形状不会轻易地发生改变，另外它的阻燃性与耐热性在预防保险管发生燃烧或已经在燃烧方面具有很好的保护作用。额定电压、电流以及熔断电流这三项参数是保险管的主要指标。额定电压指的就是保险管在正常工作情况下它所能承受的最大电压，额定电流指的就是保险管在安全工作环境下它能承受的最大电流，熔断电流指的就是电路
29、中的电流达到一定的程度足可以是保险管熔断的那个电流值，值得关注的是，当电路中经过保险管的电流只超过额定电流而没有达到或者说已经超出熔断电流的时候，保险管是不会自动熔断起到保护电路的作用的。3.5 通风与散热装置的设计电动汽车快速充电器在长时间地工作后会因为IGBT功率元件的导通与开关损耗而产生相当多的热量，而充电器本身的装置空间又比较狭小紧凑，所以为了避免充电器因高温发生损坏，这就要求我们设计一个装置来通风散热，将这些由电路中电子元件工作产生的热能输送到充电器的外界环境中以便让电动汽车快速充电器能够安全长久地使用，提高它的利用率，节约资源。针对晶闸管模块的总功耗进行的散热设计的计算过程如下所示： （3-1）其中表示导通损耗，VCE（sat）表示绝缘栅双极型晶体管IGBT的导通压降，大小是1.4V，是承受的平均导通电流，大小是28A，DT是占空比，大小是0.4。开关工作的频率是66KHZ，那么开关损耗如下： （3-2）式中查表可得，取值为。 总功耗如下： （3-3）通过查询EUPEC数据手册可以知道二极管的损耗、通态压降、平均电流，占空比D取值是0.6，那么损耗如下：
